2019 Fiscal Year Research-status Report
プラズマ医療の安全性確立へ向けたプラズマ誘起界面反応のメカニズム解明
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19K14967
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
立花 孝介 大分大学, 理工学部, 助教 (10827314)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | プラズマー液体相互作用 / 気液界面プラズマ / 数値シミュレーション / 速度論的モデル / 分子論的モデル / 自由エネルギープロファイル / ハロゲン化物イオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度の主な研究実績は，アルゴンプラズマにより生成された短寿命活性種（OHラジカル，HO2ラジカル等）が気液界面の最上層でしか反応できない可能性を示したこと，および，気液界面での自由エネルギープロファイルを考慮した速度論的モデルの基礎を構築したことである。
針－水面上直流アルゴンプラズマを塩化・臭化・ヨウ化ナトリウム水溶液それぞれに照射した場合，塩素は600秒後でも検出されない一方，臭素やヨウ素は30秒後には検出されることがわかっていた。このようなハロゲン（塩素，臭素，ヨウ素）生成特性の違いを解明すべく，0次元反応シミュレーションを行ったが，実験結果は全く再現されなかった。本結果と文献調査の結果から，「アルゴンプラズマにより生成された短寿命活性種は界面活性があるため，気液界面の最上層でしか反応できない」可能性を提案した。本提案を採用すれば，塩化物イオンが気液界面の最上層に存在しない一方で，臭化物・ヨウ化物イオンの一部は気液界面の最上層に存在するため，実験により得られたハロゲン生成特性の違いを説明できることを示した。
「アルゴンプラズマにより生成された短寿命活性種は気液界面の最上層でしか反応できない」可能性を提案したが，従来の速度論的モデルではOHラジカルの液中侵入深さは1 um程度となることがわかっていた。そこで，これまでは考慮されていなかった短寿命活性種の界面活性をシミュレーションに導入すべく，自由エネルギープロファイルを考慮した速度論的モデルを構築した。本モデルを用いて，気液界面におけるOHラジカルの拡散・反応過程を調査したところ，OHラジカルの液中侵入深さが1 nm以下となった。本計算結果は，OHラジカルが気液界面の最表層でしか反応できない可能性を示すと同時に，自由エネルギープロファイルを考慮することの重要性を示していると考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験：針－水面上直流アルゴンプラズマのための実験系（実験台の設置，プラズマリアクタの作成，直流電源回路の作成，ガス系統の構築など）を構築し，ハロゲン生成特性を測定した。また，本実験系を用いて，アルゴンプラズマにより液中へ供給された短寿命活性種を電子スピン共鳴装置で測定する準備もすでに整っている。当初は，ガス系統にガスのコンタミネーションが疑われたが，ガス系統の一部を新品に交換する，ガス配管の一部を金属配管に変更する，などの対策により，本問題は解決しており，問題なく次の実験を遂行できると考えている。
速度論的モデルを用いた数値シミュレーション：今年度は界面の特異性を考慮した速度論的モデルの作成を行った。本内容は，当初の計画では来年度以降に行う予定だったが，早い段階で界面の特異性を考慮する手法の目処が立ったため，今年度に行うこととした。実験的に得られたハロゲン生成特性と0次元反応モデルとの比較，および，文献調査の結果から，気液界面の特異性が短寿命活性種の界面活性やハロゲン化物イオンの気液界面濃度分布にあると考えた。そこで，これらを数値シミュレーションに導入すべく，自由エネルギープロファイルを考慮した速度論的モデルを作成した。すでにモデルの基礎的な部分は完成しており，今後はそのモデルをより発展させていく予定である。
分子論的モデルを用いた数値シミュレーション：今年度の研究実績とはならなかったものの，実行に必要な環境の構築はすでに完了した。本研究課題の予算を用いて購入した数値計算用Linuxワークステーションに分子動力学シミュレーションパッケージAmberをインストールし，問題なく使用できることを確認した。現在はAmberの使用方法を学習している最中であり，来年度にはプラズマの影響を考慮した界面濃度分布や短寿命活性種の軌道等を計算したいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験：今年度に作成した直流アルゴンプラズマの実験系に加えて，新たにパルスアルゴンプラズマの実験系，および，真空紫外光を用いた実験系を作成し，ハロゲン生成特性の測定や電子スピン共鳴装置による短寿命活性種の測定を行う予定である。今年度は主に直流アルゴンプラズマを用いたハロゲン生成特性の測定を行ったが，来年度はパラメータを変化させたときのハロゲン生成特性に関する調査や電子スピン共鳴装置による短寿命活性種の測定を行う予定である。さらに，今後はパルスアルゴンプラズマや真空紫外光を用いた実験を行い，短寿命活性種により誘起された界面反応について多くの実験的知見を得たいと考えている。
速度論的モデルを用いた数値シミュレーション：自由エネルギープロファイルを考慮したハロゲン生成に関するモデルを作成する。今年度は，自由エネルギー勾配の拡散への影響を考慮した速度論的モデルを用いて数値シミュレーションを行い，OHラジカルの気液界面における挙動を調査した。今後は，ハロゲン化物イオンの界面濃度分布やOHラジカル等の短寿命活性種とハロゲン化物イオンとの反応も考慮した速度論的モデルを構築し，界面の特異性をより考慮した速度論的モデルの構築を目指す。
分子論的モデルを用いた数値シミュレーション：分子動力学シミュレーションパッケージAmberの使い方に習熟したのち，プラズマ－液体界面におけるハロゲン化物イオンの気液界面濃度分布，短寿命活性種が気相から液相へ衝突した際の軌道，気液界面における短寿命活性種等の自由エネルギープロファイル等を明らかにすることを目指す。最終的には，分子論的モデルによる計算を用いて得られた自由エネルギープロファイルを新たに作成した速度論的モデルに導入し，実験結果との比較を通して，プラズマ誘起界面反応のメカニズム解明を目指す。
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